Прискорювач елементарних частинок: як він працює і яку користь приносить фізикам

Уявімо собі таку ситуацію. Хтось захотів дізнатися пристрій годинника. Для цього він бере два будильника і з силою вдаряє їх один об одного. Дивний підхід? Так. Але приблизно за тим же принципом діють і прискорювачі елементарних частинок.

У фізиці високих енергій ми ломимося в невідомість, мчимо в незнайоме (як в казці: піди туди, не знаю куди!) – звідси і грубість способів, варварські методи досягнення мети. Єдиний поки засіб проникнути в «свята святих» мікросвіту — розігнати протони або електрони до небачених енергій і вдарити по атомній мішені. Що відбувається в момент удару, ми ще слабо уявляємо, але вважаємо, що атомне ядро можна порівняти з твердим горішком. І щоб заглянути всередину, необхідно розколоти «шкаралупу».

Звичайні резони фізика такі. Припустимо, ми хочемо розглянути який-небудь предмет, дуже дрібний. Висвітлюємо його. Якщо довжина світлової хвилі перевищує розміри предмета, він залишиться невидимий. Щоб його розгледіти, необхідні досить короткі хвилі. Так і з елементарними частинками. Відомо, що вони не тільки корпускули, а й хвилі. І довжина цієї хвилі буде тим менше, чим більше енергія частинки. Ось і виходить: щоб «промацати», скажімо, нутро протона іншим протоном, снаряд треба розігнати в електричних і магнітних полях до швидкостей, що наближаються до світлових.

Але в подібних міркуваннях не слід забувати, що елементарна частка — це не тільки хвиля, а своєрідний гібрид, що поєднує корпускулярні і хвильові властивості. Як далеко може йти аналогія між розгляданням предмета в променях світла і зондуванням елементарних частинок на прискорювачах, сказати важко.

Серед інших наук фізика елементарних частинок і космологія мають одну унікальну особливість: ми не знаємо основних законів, що керують досліджуваними явищами. Не так йде справа в інших науках: геології, океанографії, атомній фізиці і, мабуть, в біології, де діють відомі фізичні закони, але велика кількість деталей дозволяє лише частково зрозуміти різноманітність явищ.

Найбільші оптимісти серед фізиків сподіваються, що основні закони мікрокосму можуть явитися однозначним наслідком лише декількох принципів симетрії, таких, як ізотропність і однорідність простору, еквівалентність інерціальних систем відліку і так далі. Сподіваються, що наш світ кориться лише кільком дійсно фундаментальним законам.

Чи вірна ця концепція, ми також не знаємо. Бо чим «далі в ліс», тим більше невизначеним стає поняття «елементарної частинки», тим більше дивовижних і складних «дров» поставляє нам таємничий і незрозумілий світ малих частинок. Прискорювачі – поки єдине знаряддя для вивчення фундаментальних законів мікросвіту. Але та обставина, що настільки великі і складні пристрої необхідні для досліджень настільки незначних крихіток, вражає, спантеличує, інтригує і насторожує. Можливо, як висловився один фізик-теоретик, експерименти, виконані на цих надмашинах, частково нагадують  «будівництво шосе для вивчення хімічних властивостей бетону».

Адже цілком можливо, що спостережувані явища (народження нових частинок, наприклад) можуть відображати не стільки основні закони, скільки артистичне мистецтво експериментаторів.

Що відбувається в прискорювачах? У зникаюче малих обсягах простору в найдрібніші відрізки часу при зіткненнях концентруються грандіозні порції енергії. Цей згусток за незвіданими законами і породжує весь той сонм об’єктів, незнайомих і дивних, який ми — швидше за інерцією, ніж по суті,— і називаємо елементарними частинками. І навряд чи доречно тут говорити про якесь розщеплення.

Що ж дивного, якщо машини, призначені для побудови шосе, і можуть лише будувати шосе, не більше. Було б дивним, якби вони стали робити що-небудь крім…

Дивацтва дивного світу

Свого часу кварки були зустрінуті в багнети. Наукові журнали відмовлялися публікувати цю модель. Однак теорія кварків передбачала існування нового адрона (омега-мінус-гіперон), який незабаром і був виявлений. Успіх був повним. Фізики кинулися шукати кварки.

З точки зору детективної історії, про злочинця було відомо багато: заряд, спін і ще ряд прикмет. Шукали в океанах, де начебто за тисячоліття повинні накопичитися кварки, в метеоритах, космічних променях. Марно. Сліди кварків пробували виявити на старому Серпуховському прискорювачі – і знову нульовий ефект.

Цей результат охолодив багато гарячих голів. Пролунали голоси, що кварки — всього лише зручна абстракція, що, можливо, в майбутньому на питання, що таке кварк, фізик лише здивовано знизає плечима: теорія кварків на той час буде забута.

Народилося і зміцніло інше припущення – кварки принципово не можна виявити. Нуклони і гіперони (разом вони називаються баріонами) побудовані з трьох кварків, мезони — з двох (кварк і антикварк). Так стверджує теорія. Ось, скажімо, мезони чимось схожі на магніт, кажуть прихильники неспостережуваності кварків. Але ж будь-яка спроба відокремити північний магнітний полюс від південного приречена на провал. Розріжте магніт на дві частини: кожна стане самостійним магнітом зі своїми полюсами. Так і будь-яка спроба роз’єднати компоненти мезона веде до утворення нових кварка і антикварка: замість одного мезона ми отримаємо пару, і тільки!

Тут ми стикаємося з найбільшою загадкою сучасної фізики. Висновки з гіпотези кварків дивно збігаються з досвідченими даними. Але незліченні спроби виявити кварки експериментально поки безрезультатні. Швидше за все, загадковість кварків — лише результат нашого незнання.

Вчені уважно читають «Книгу природи», але не знають, де у неї початок, де кінець. Гортають випадкові сторінки, до того ж написані незрозумілою мовою. Час від часу з’являються нові дійові особи (кварки ?). Щоб зрозуміти їх роль в оповіданні, доводиться напружувати уяву, логіку, інтуїцію хоча б для приблизного розуміння авторського задуму. Вивчаючи мікросвіт, людина все глибше занурюється в світ абстракцій, який не може не бути дивним і таємничим. Бракує понять, ярличків, та й просто слів для позначення дивовижних об’єктів і закономірностей. Звідси і кварки, запозичені Гелл-Манном з фантасмагоричного роману Джойса «Поминки по Фіннегану», – щось дике, неймовірне, немислиме. Цікаво, що інший першовідкривач – Цвейг – дав іншу назву цим частинкам: «тузи», проте Картярська термінологія не прижилася.

Довільність «етикеток», семантичний «салат» — прямий наслідок незвичайності світу мікрочастинок. Адрони розрізняються не тільки начебто зрозумілими нам зарядом, масою, але і баріонним зарядом, спіном і ще особливою властивістю, яка отримала назву «дивацтво». Є навіть закон збереження дивацтва. Збереження енергії, заряду, імпульсу — шкільні істини. Це начебто зрозуміло. Інша справа – збереження дивацтва. Тут людина опиняється на хиткому грунті абстракцій. Ці речі настільки ж умовні, як наступна уявна картина.

Уявіть собі величезні ваги, на одній чашці яких — кінь і миша, на іншій — корова і собака. І вченого-фізика, який стверджує, що кінь + миша можуть перетворитися в корову + собаку, так як, мовляв, жоден з восьми законів збереження — ваги, кількості живності, числа голів, очей, хвостів, лап (перевірте самі!), числа ссавців і властивості волосатості — не порушений. Той же фізик в той же час не прийме, однак, таку «рівність»: літак плюс метелик дорівнює вертоліт плюс альбатрос. І заперечить: хоча сума ваги, кількість об’єктів, число моторів залишаються незмінними, проте сумарне число крил (вертоліт!) виявляється різним.

Розмову про кварки можна було б продовжувати дуже довго і говорити про глюони — особливі переносники кольору, про кварк № 4, що володіє шармом, або чарівністю («ми назвали наш кварк «зачарованим», так як були захоплені і зачаровані тією симетрією, яку він вніс у світ субядерних частинок»,— згадував пізніше один з авторів цього терміна), про вражаюче: теорія кольорових кварків вже отримала експериментальне підтвердження на прискорювачах (звичайно, ніхто кольоровий кварк не бачив і не побачить, але непрямі докази видають його з головою!)

Але для нас зараз важливо інше: дійсність володіє такими властивостями, які не зміг би придумати навіть найвитонченіший і неприборканий фантаст. Тому досить непереконливими здаються заклики замінити дорогі прискорювачі «сірою мозковою речовиною», більше концептуально мислити, передбачати закони природи, не виходячи за стіни кабінету. Не накопичувати нові факти за допомогою прискорювачів, а обходитися більш майстерним використанням «теорії, мотузочок і сургуча». Але десятиліття застою у вивченні гравітації показують, що може статися навіть з найцікавішим предметом без тиску нових фактів.

Рішення про обмеження досліджень на прискорювачах може мати і фатальні наслідки.

До XV століття китайці досягли високої майстерності у водінні кораблів по океанах, що залишала далеко позаду рівень Європи. Потім під час несподіваної зміни інтелектуального клімату контроль при дворі імператора перейшов до партії ізоляціоністів. Великі кораблі були спалені, їх екіпажі розпущені. Це сталося в ті самі роки, коли маленькі португальські човники огинали мис Доброї Надії…

«Демократія» в мікросвіті

Продовжуємо розповідь про те, що вже дали науці прискорювачі. Будувати велике з малого, важке з легкого — ось правило, яким завжди керувалися вчені і яке незмінно приносило успіх. Цей погляд на речі підказує людині здоровий глузд, весь досвід минулого. Однак зараз намічається криза концепції слів «складається з». Так, наприклад, для фізиків все чутливішим стає порушення закону збереження маси: маса складеної частинки, що складається з інших частинок, завжди менше, ніж сума мас цих же частинок. Взаємна перетворюваність мікрочастинок, можливість народження і знищення їх — це абсолютно нові риси, що відрізняють сучасний атомізм від атомізму минулого.

Щоб більш прояснити ситуацію, наведемо ще приклад. Вільний нейтрон – частинка нестабільна: вилетівши з ядра, він приблизно через 17 хвилин розпадається на протон, електрон і антинейтрино. Але, з іншого боку, при зіткненні двох протонів можуть з’явитися серед інших частинок і нейтрони. Іншими словами, в рівній мірі можна вважати, що протон «входить» до складу нейтрона і нейтрон «входить» до складу протона. Таким чином, кожна мікрочастинка як би складається з усіх інших, і в цьому сенсі всі вони однаково елементарні. Ця введена американським фізиком-теоретиком Д. Чу концепція «ядерної демократії» стверджує: і ті частинки, які належить ще відкрити, будуть не більш елементарні, ніж вже відомі.

Так на противагу старим поглядам сучасна ядерна фізика практикою своїх експериментів формулює радикально нову тезу, згідно з якою в мікросвіті все складається з усього.

Ми з багатьом змирилися. Математики пояснили нам, що всупереч здоровому глузду частинка може бути рівною цілому (Теорія нескінченних множин). Ну, добре, погодилися ми, але вже частинка-то ніяк не може перевершувати ціле! Однак фізики і тут показали, як ми ще все-таки наївні.

Чи може слон залетіти в каструлю? Дивне, здавалося б, питання! Але хіба не настільки ж дивно положення «товстих» кварків (вважають, що маса кварка у багато разів перевищує масу протона), втиснутих в черево «худенького» протона? Але ж це в мікросвіті не виняток, а правило, згідно з яким по масі частина завжди перевершує ціле.

Ці та багато інших прикладів настирливо вселяють нам: при вході в мікросвіт треба неодмінно скинути «капці» антропоморфізму, зняти «окуляри» так званого здорового глузду і зірвати «плащ» лушпиння людських мірок і звичок. Все це дається людині з великими труднощами, шокує, травмує… Справді, людина, немов змія, повинна міняти, безперервно скидати «шкіру» своїх уявлень.

А якщо повернутися від емоцій до логіки, треба відзначити наступне: припущення про застосовність нашої інтуїції до як завгодно малих масштабів глибоко помилково. Так, зараз у фізиків переважає думка, що серед мікрочастинок, що спостерігалися досі, мабуть, немає «аристократів». Але стовідсотково стверджувати це ми не можемо. І одна з основних програм майбутніх досліджень на прискорювачах – прояснення дилеми: «демократія» або «аристократія».

Біла ворона мікросвіту

Проектована енергія нових прискорювачів – 2-5 тисяч Гев. Здавалося б, нерозумно питати, чому обрані саме ці цифри: по дорозі в незвідане сюрпризи можуть підстерігати дослідника на будь-якому кілометрі! Дивно, однак, що фізики знають, чого хочуть. І величини 2-5 тисяч Гев обрані не випадково. Саме за цим порогом може прояснитися природа слабких взаємодій.

Вже зазначалося: збільшуючи енергію, фізики отримують можливість зазирнути у все менші області простору.

В областях з розмірами 10^-5 —10^-7 дослідники проникли в світ кристалів, атомів – виникла кінетична теорія матерії. Потім, переступивши ще один-два порядки, людина відкрила царство атомних явищ, керованих квантовою теорією. На відстанях 10^-11 сантиметра вчених підстерігала несподіванка: при цих енергіях стало можливим народження світлом електронно-позитронних пар, енергія перетворювалася в речовину! Ці явища вже описуються релятивістською квантовою теорією Дірака. На відстанях 10^-13 сантиметри (розміри ядер) виникла фізика атомного ядра. А з відстаней 10^-14 — 10^-16 сантиметра почалася фізика адронів і їх збуджених станів – розкрився світ так званих «дивних частинок».

Енергіям 2-5 тисяч Гев відповідає характерний масштаб 10^-17 сантиметра. Чому настільки цікава саме ця довжина? Виявляється, справа в тому, що цей розмір органічно міститься в сучасній теорії мікросвіту. 10^-17 сантиметра – це довжина, що характеризує слабкі взаємодії.

Двадцять століть відокремлюють нас від науки стародавнього світу. Великий термін. Однак в розумінні найзагальніших властивостей природи ми в якомусь сенсі недалеко пішли від древніх. Античні греки вважали: все в світі складається з чотирьох сутностей, чотирьох стихій — землі, води, повітря і вогню, не пов’язаних між собою якоюсь єдністю. Сучасний фізик також «сповідує» чотири стихії, чотири поля сил – сильного (ядерного), електромагнітного, «слабкого» і гравітаційного.

Це своєрідні «стихії» сучасної фізики. Вчені, звичайно, розуміють, що має бути глибокий зв’язок між цими стихіями, але вловити його поки не можуть. Свого часу Фарадей пов’язав магнітні та електричні явища. Максвелл оформив цей зв’язок у відомих рівняннях. Але ось Ейнштейну не вдалося пов’язати в єдиній картині гравітаційні та електромагнітні взаємодії. І Гейзенберг зазнав невдачі: він хотів на основі якогось фундаментального ф-поля домогтися успіху в розумінні деяких сторін цієї єдності.

Ми сподіваємося, що це тимчасові труднощі і коли-небудь будуть створені єдині рівняння типу рівнянь Максвелла, які автоматично видадуть весь спостережуваний спектр елементарних частинок. І можна буде, наприклад, зрозуміти величину одиниці електричного заряду, усвідомити роль гравітації у взаємозв’язку віддалених зірок з атомами і багато іншого.

Це в майбутньому. А зараз що ж обіцяють нам енергії в 2-5 тисяч Гев? Характерна риса слабких взаємодій – вони посилюються з ростом енергії зіштовхуваних частинок. На відстанях, що наближаються до 10^-17 сантиметра слабка взаємодія перестає бути «слабкою»: стає порівняною не тільки з електромагнітною, але навіть з сильною взаємодією.

Далі, слабкі взаємодії цікаві тим, що вони охоплюють, мабуть, більш широке коло явищ, ніж навіть електромагнітні, бо в них беруть участь майже всі частинки — не тільки електрично заряджені, але й нейтральні. У цьому їх універсальність.

Якщо міркувати зовсім грубо, то на енергіях 2-5 тисяч Гев фізики хочуть дізнатися, яка з цифр — трійка або четвірка — ближча мікросвіту. Якщо точніше: тричастинна або ж чотирьохчастинна природа елементарних взаємодій?

Ще з часу Фермі (1934 рік) теорія слабких взаємодій формулювалася як взаємодія за участю чотирьох частинок: при Р-розпаді нейтрон розпадається на протон, електрон і антинейтрино. Вражаюче, що всі інші взаємодії виключно тричастинні. Так, нейтрон, випускаючи л мезон, перетворюється сильною взаємодією в протон.

Ось і виходить, що по ряду властивостей слабкі взаємодії можна вважати «білою вороною» в сімействі відомих полів-стихій.

Вже років тридцять намагаються звести чотирьохчастинні слабкі взаємодії до тричастинної, наприклад електромагнітної. Для цього припустили, що слабка взаємодія на ділі йде в два етапи. Спочатку нейтрон випускає протон і деяку гіпотетичну частинку W-мезон (перша тричастинна взаємодія). А цей проміжний мезон вже потім розпадається на електрон і антинейтрино (друга тричастинна взаємодія).

Поки, незважаючи на наполегливі пошуки, W-мезон не виявлений. Але ідея уніфікації типів взаємодій настільки приваблива, що на всіх прискорювачах знову і знову ставляться експерименти з пошуку W-мезона.

Так ось, енергії 2-5 тисяч Гев – це якраз та гранична область, для якої має сенс ідея проміжного мезона і його пошуки. Для долі W-мезона експерименти на новому синхрофазотроні повинні стати вирішальними.

Якщо всупереч дуже великим надіям буде отриманий негативний результат, якщо «слабкі» сили самі є елементарними, то виникне інша спокуслива думка. Зміцніє ймовірність звести всі інші взаємодії – електромагнітні, ядерні, гравітаційні — до одної, до взаємодій слабкого типу. Вражаюче, але обидві відповіді («так» і «ні») в експериментах на прискорювачі однаково важливі. Ситуація безпрограшна!

Говорити про майбутні можливості, які можуть дати прискорювачі, важко. Зазвичай найважливіше і значне в новій галузі досліджень — так вчить вся історія науки — це несподіване, непередбачене. І, мабуть, найбільш важливий аргумент на користь форсування досліджень на прискорювачах в тому, що саме у фізиці високих енергій, як ні в якій іншій науці, несподіване найбільш ймовірно.

Автор: Ю. Чирков, доктор хімічних наук.